CN101517859B - 半封闭式交流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种部分封闭式感应电动机，包括：转子组件、定子组件和金属框架，该框架限定这样一种壳体：该壳体具有大致筒形形状并且在各个轴向端部具有轴承壳。该框架的内部构造成紧密地包围层压铁芯并且遵循定子组件的线圈端匝的轮廓。定子组件与转子组件之间的筒密封件密封地隔离转子组件和定子组件。导热成型材料填充定子绕组中的间隙、以及定子组件与框架之间的空间。转子轴所驱动的风扇，并且导流罩引导空气沿着筒密封件流动并穿过转子组件。

Description

半封闭式交流电动机

技术领域

本发明涉及用于铁路工业的牵引电动机，更具体地说，涉及半封闭式或部分封闭式电动机，在该电动机中，通过用风扇将空气吸入转子来对转子组件进行冷却，定子组件成型到定子壳体中并由定子壳体完全封闭。

多年来，全封闭风扇冷却(TEFC)电动机在工业上用作维修少、耐雨雪的电动机。利用封壳将电动机与外部环境隔离从而使得灰尘、泥土和水不能进入电动机并破坏绝缘。在常规的TEFC电动机中，不存在外部空气和内部空气的混合。TEFC电动机常用于工业应用中。最近，TEFC电动机已经被纳入到将功率密度增加到最大的列车中使用。

TEFC电动机定义为用密封的封壳(框架)将装置的载流部件和发热部件完全包围的电动机。封壳包围定子、转子和轴承。在转子组件和定子线圈与封壳壁之间存在内部空气间隙。热量从旋转的转子组件流入通常由内部风扇来搅动的内部空气中，然后通过轴流出，或流入封壳壁中。定子的热量从悬置在半停滞空气中的静止线圈向回流入定子的钢芯中并且流出到封壳中。外部风扇将空气吹到封壳(框架)上以将封壳冷却。封壳不具有向外部敞开的开口，并且外部空气不与内部空气混合。

强制冷却(Forced Cooled)电动机通过将外部空气吹过电动机内部并直接吹到定子和转子表面上来进行冷却。外部空气与内部空气混合。

除了气流由安装到轴上的内部风扇来产生以外，自冷却(Self-Cooled)电动机与强制冷却电动机相似。

TEFC电动机产生的所有热量必须经过封壳壁。转子和定子损耗所产生的热量被限制在装置内部，因此热的转子、定子和轴承会出现问题。

必须使TEFC电动机的损耗最小，并且对于任意给定功率容量(KW)而言这可以通过在设计中添加更多铁和铜来实现。因此，与相同额定值的强制冷却或自冷却装置相比，TEFC电动机体积较大。电动机所占的空间在列车上严格受限，并且重量对列车的性能具有负面影响。现有TEFC电动机比其它强制冷却和自冷却技术的电动机更重且更大。

强制冷却和自冷却电动机允许不洁湿气进入封壳中并冲击绝缘的定子线圈表面。吸入灰尘、泥土或湿气会对定子线圈上的绝缘层造成损害。在绝缘层中形成裂缝以及引入湿气、泥土和冰会导致接地故障。

之前制造较小较轻的TEFC电动机的努力集中于提高将热量从转子通过受搅动的内部空气传递到封壳壁中的速率、或从封壳壁消散更多热量。

发明内容

简要地说，本发明提供一种部分封闭式感应电动机。所述电动机包括具有一体轴和典型鼠笼的筒形金属转子组件。所述转子组件具有从一端延伸到另一端的轴向冷却空气通道。定子组件围绕所述转子组件。所述定子组件包括具有轴向槽的大致筒形的层压铁芯，所述轴向槽用于接纳定子绕组的笔直部分。所述定子绕组具有沿着轴向延伸到层压铁芯之外的端匝。所述定子组件相对于所述转子的轴线具有大致旋转对称性。金属框架限定具有大致筒形形状的壳体，轴承壳附接或安装到所述金属框架的各个轴向端部上，从而使得轴承壳中的轴承支撑所述转子组件的轴并且建立所述转子组件的旋转轴线。所述框架的内部构造成紧密地包围所述层压铁芯并且遵循所述定子组件的端匝的轮廓。

筒密封件设置在所述定子组件与所述转子组件之间，以便密封地隔离所述转子组件和所述定子组件。导热成型材料填充所述定子绕组中的间隙、以及所述定子组件与所述框架之间的空间。

根据第一实施例，所述框架形成为两个铸件，所述两个铸件在组装到一起后形成紧密包围所述铁芯和所述绕组线圈的大致旋转对称的内部。

根据第二实施例，所述框架由两个经加工的挤出件形成并且遵循所述绕组线圈的轮廓，具有两个附加盘状轴向端板以便形成紧密包围所述铁芯的大致旋转对称的内部。

根据第三实施例，所述框架由铸件、两个端部楔形体和两个拼合环形成并且遵循所述绕组线圈的轮廓，所述铸件、所述两个端部楔形体和所述两个拼合环组装以形成紧密包围所述铁芯的大致旋转对称的内部。

由所述转子轴驱动的风扇、以及风扇导流罩引导由所述风扇排出的空气沿着所述筒密封件流动并流过所述转子通道。由此，从封壳的内表面和外表面对封装的定子组件进行冷却，而不将绕组暴露于大气中，该暴露会造成绕组的绝缘性变差。

根据一个优选实施例，所述金属框架形成为两个半圆筒形部件，这两个半圆筒形部件在组装到一起时形成所述金属框架。以这样的方式，所述框架的内部可以形成为紧密地贴合所述定子组件并且遵循所述绕组线圈的轮廓。优选地，所述金属框架是铁、钢或铝铸件，并且在外表面上具有纵向和径向翼片。

根据一个优选实施例，与所述定子绕组相关联的导热成型材料是具有导热填料的树脂。更优选地，所述成型材料包括：非挠性的第一层，其填充绕组之间的间隙并将所述绕组封闭；以及不吸湿的第二层，其中所述成型材料密集地填充所述定子组件与所述框架之间的空间以保证最大导热率。更优选地，所述成型材料是硅树脂、环氧树脂、热塑性塑料或陶瓷接合剂(ceramic cement)。

根据另一个优选实施例，由所述转子驱动的第二风扇，并且与所述风扇相关联的导流罩引导空气通过位于所述框架外部的翼片。

附图说明

在下面对本发明进行描述的过程中将说明本发明的其它目的和特征：

图1是本发明第一实施例沿着图2的线I-I截取的轴向纵剖图；

图2是与穿过电动机中心的转子轴线垂直地沿着图1的线II-II截取的剖视图；

图3是沿着图2的线I-I截取的剖视图；

图4是图1的转子组件的视图；

图5示出包括密封层在内的图1所示定子线圈端匝的放大剖视图；

图6是根据本发明第二实施例的经铸造或挤出、以及机械加工的拼合框架的一侧的端视图；

图7是沿着图6的线7-7截取的剖视图；

图8是根据本发明第三实施例的经铸造和机械加工的框架的端视图；

图9是沿着图8的线9-9截取的局部剖视图；

图10是用于第三实施例的拼合环的端视图；

图11是图10的拼合环的侧视图；

图12示出“串流”通风实施例；

图13示出“双风扇”通风实施例；

图14示出“平行流”通风实施例；以及

图15示出“混合流”通风实施例。

具体实施方式

图1至图5涉及将框架制造为两个铸件的第一实施例。图1和图2示出组装的定子组件1和转子组件2。定子组件示于图3中，转子组件示于图4中。转子组件2包括常规的鼠笼式转子，该转子的特征在于包括：由冲压电工钢层压件构成的铁芯3、以及硬焊、焊接或铸造的铜或铝转子笼4。转子组件2安装到钢轴5上，钢轴的两端由轴承组件7和8支撑。轴承组件7和8配合到轴承壳9和10中，轴承壳9和10设计成允许转子组件2插入定子组件1的圆柱孔。定子组件1包括层压铁芯12，该铁芯被围绕铁芯外周的框架17以及位于铁芯内周上的筒密封件11完全封闭。层压铁芯12由冲压电工钢层压件构成，层压件在外周处进行焊接以使铁芯牢固(在图1和图3中仅示出示例性的层压件)。绕组线圈13被插入铁芯12的槽中，绕组线圈是连接且绝缘的。筒密封件11形成为将布置于槽中的绕组线圈13覆盖的圆筒体，上述槽是在铁芯层压件中冲压而成的。将电绝缘硅树脂灌注化合物14(参见图5)灌注到由筒密封件11、绕组线圈13和层压铁芯12形成的凹部(pocket)中。该化合物将连接部密封并且在绕组线圈与铁芯之间提供电晕放电电阻。在绕组线圈的延伸部上施加挠性且可压缩的保形涂层15。保形涂层15是改性的硅树脂、聚酯或环氧树脂产品，其中添加有添加剂来提高导热率。

为了允许组装，将框架17分成两个部分17A、17B并且遵循绕组线圈的轮廓，对这两个部分加热，在保持框架17与铁芯12分离的情况下将上述两个部分栓接在一起，然后让这两个部分冷却并围绕铁芯12收缩。不需要上述两个部分沿着单个直径平面分离。然后，将筒密封件11栓接到框架17上。将所得的密封的组件进行如下处理：采用改性的热固性化合物16填充线圈端匝13ET、框架17、筒密封件11和铁芯12处的间隙，改性的热固性化合物16包含用于提高传热性的添加剂。将轴承组件7和8以及轴承壳9和10附加到转子组件2上，然后将转子组件2穿过圆柱孔并且利用螺栓32将转子组件的各个轴向端部栓接到框架17上。使具有轴向空气通道18的外部风扇23收缩到轴5的端部上。框架17具有多个径向延伸翼片25。利用风扇导流板19引导来自外部风扇23的空气沿着轴向流过翼片，并且外部风扇23所产生的压力使空气通过轴向通道21。

灌注化合物14的优选方案是可灌注的硅树脂基产品。本发明的其它实施例可以使用基于环氧树脂、陶瓷或热塑性塑料的化合物。对于本发明而言，重要的特征是该化合物提供良好的介电特性和电晕放电电阻。

保形涂层15的优选方案是硅树脂基油灰(putty)。本发明的其它实施例可以使用基于环氧树脂、聚酯或陶瓷材料的化合物，或者在形成线圈时应用硅树脂带。对于本发明而言，重要的特征在于该涂层是挠性的并且随着线圈的热膨胀和收缩而膨胀和收缩，而且与绕组线圈13和铁芯12良好地结合。

存在热固性化合物16的多个实例。在这些化合物中包括填充的硅树脂、填充的硅凝胶、填充的陶瓷、填充的热塑性塑料和填充的环氧树脂。优选的填料是矿物、玻璃、氧化铝和金属。对于本发明而言，重要的特性是化合物在填充后不具有间隙或气穴、具有良好的导热性、并且与框架17和筒密封件11良好地结合。

灌注化合物14、保形涂层15和热固性化合物16的实例还可以是施加到所有三个位置上并且满足本发明的所有特性的单一化合物。

筒密封件11可以是在施加并固化热固性化合物16之后被移除的暂时性固定装置。

根据本发明的一个实施例，框架17由两个铸件半部17A和17B形成，这两个铸件半部由球铁或球墨铸铁制成，并且利用螺栓在与轴平行的边缘处固定在一起以形成整个圆筒形框架。

参照图6和图7，在本发明的第二实施例中，框架17是铝或铁的挤出半部框架，并且在挤出之后进行机械加工以容纳铁芯12和绕组线圈13。将框架17挤出成两个部件，利用螺栓将这两个部件的与轴平行的边缘固定在一起以形成整个圆筒形框架。利用两个附加端部壳体来完成框架端部，这两个附加端部壳体是对钢板38、39或球墨铸铁进行机械加工而得到的。参照图7，具有密集阴影线的区域指示从挤出件或铸件中通过进行机械加工而去除的体积。

图8至图11涉及第三实施例，该实施例包括框架、两个端部件以及两个拼合环，上述部件组装在一起来形成根据本发明的框架。图8是几乎不需要或完全不需要机械加工的铸造框架31的端视图。图9示出所有部件，包括已组装的框架、框架31、端部件33、34、以及拼合环35、36。该第三实施例所涉及的部件比第一实施例和第二实施例所涉及的部件多，但是第三实施例具有这样的优点：可以在不进行特殊机械加工的情况下进行组装并且在较小的端部环处进行分离。

空气冷却的优选方法是采用小型内部风扇6(参见图4)冷却转子，并且采用外部风扇23(参见图1)将空气吹到如图2所示的翼片25上。还存在如图12、图13、图14和图15所示的空气流动的其它可能实施例。图12的“串联气流(series air flow)”需要这样一个风扇23：该风扇通过通道20、转子通道21和通道22抽吸空气并且将空气排放到框架的翼片上。空气入口和空气出口位于电动机的同一端部。图13的“双风扇布置方式”需要位于两端的风扇。一个风扇26通过转子通道21抽吸空气。另一个风扇27A将空气吹到框架的翼片上。空气入口和空气出口位于电动机的不同端部。图14的“平行流”需要一个风扇27，该风扇从框架的翼片并且从转子通道21中抽吸空气，然后将空气排放到周围。空气入口和空气出口位于电动机的不同端部。图15的“混合流”需要叶片位于风扇轮毂两侧的风扇27B。内侧叶片组从转子通道21中抽吸空气。外侧叶片组在将空气与转子排出的空气混合后吹到框架的翼片上。空气入口和空气出口位于该装置的同一端部。

压铸的铝转子或硬焊、焊接的铜转子不受吸入雨雪的影响。将转子密封在框架结构中不具有有益效果。通过将转子向外部气流敞开，转子损耗可以直接从转子表面消散到空气流中，从而提高了热消散效率。空气还将流过轴承壳，从而使轴承壳冷却。

将灰尘、泥土或湿气吸入到定子线圈上会破坏电动机的绝缘性。通过仅将定子线圈封装到完全包围线圈的封闭式壳体中，来实现这样一种电动机，该电动机具有标准TEFC电动机的密封绕组的有益效果，然而空气可以流过封壳内表面和封壳外表面，从而使可用于热消散的封壳表面面积加倍。将线圈封装到包围线圈的密封封壳中会使线圈与泥土和湿气隔离。

本发明可以由筒形定子组件实现，该组件与栓接到轴承壳上的转子组件同轴。利用以下方法来冷却转子组件：小型径向风扇通过轴向空气间隙或轴向转子通气孔从轴承壳抽吸空气，并且通过相反的轴承壳排出空气。定子组件布置在包围该组件的筒形框架中。使用导热性化合物将线圈封装并成型到框架结构中。导热的第一层填充线圈之间的间隙并且用挠性、导热、电绝缘的化合物包裹线圈。第一层被高导热的不吸湿材料所形成的第二层覆盖。第二层以最大接触压力填充线圈与封壳之间的内部空气间隙，并且适合保证将热量传递至封壳壁的导热性良好。该结构增加了线圈端匝的有效表面积，从而增加了将热量传递至封壳的传热速率。第一层是挠性的以便允许绕组线圈移动和热膨胀。定子组件具有从框架沿径向延伸的多个翼片。外部风扇和风扇导流罩引导空气流过翼片。外部风扇的轮毂具有位于轮毂下方的空气通道，以便允许空气进入转子组件。

本发明的特征在于获得这样一种密封的定子封壳：其具有良好的导热层以便允许热量从线圈端匝直接流入封壳壁，而不通过铁芯流回。为了克服密封材料的热电容，需要传热表面较大，即从铁芯到封壳的分界面与从密封材料到封壳的表面之和较大。

本发明的独特特征是选择材料来获得所需传热速率以实现总尺寸与自冷却开放式通风电动机相同的电动机。对于运输工业而言，使用开放式转子和密封定子是独特的。以前也未获得这样的技术：即，将第一层和第二层结合以便在维持长期传热速率的同时允许线圈端匝进行热膨胀和机械移动。

按照专利法的要求，已经详细具体的描述了本发明，在以下权利要求书中陈述需要由专利证书保护的内容。

Claims (8)

1.一种部分封闭式感应电动机，包括：

筒形金属转子组件，其具有一体轴和鼠笼，并且具有从一端延伸到另一端的轴向冷却空气通道；

定子组件，其包括具有轴向槽的大致筒形的层压铁芯，所述轴向槽用于接纳定子绕组的笔直部分，所述定子绕组具有沿着轴向延伸到所述层压铁芯之外的线圈端匝；

金属框架，其限定具有大致筒形形状的壳体，轴承壳安装到所述框架的各个轴向端部上，从而使得轴承壳中的轴承支撑所述转子组件的轴并且建立所述转子组件的旋转轴线，所述框架的内部构造成紧密地包围所述层压铁芯并且遵循所述定子组件的线圈端匝的轮廓；

筒密封件，其设置在所述定子组件与所述转子组件之间，用于密封地隔离所述转子组件和所述定子组件；

导热成型材料，其填充所述定子绕组中的间隙、以及所述定子组件与所述框架之间的空间；

风扇，其由所述转子组件的轴驱动；以及

导流罩，其用于引导被所述风扇驱动的空气沿着所述筒密封件流动并流过所述转子组件。

2.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述金属框架具有紧密包围所述层压铁芯的大致旋转对称的内部并且遵循所述绕组的轮廓。

3.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述金属框架形成为两个部件，所述两个部件在组装到一起时形成筒形的金属框架。

4.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述导热成型材料是具有导热填料的热固性树脂。

5.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述成型材料包括：非挠性的第一层，其填充所述绕组之间的间隙并将所述绕组封闭；以及不吸湿的第二层。

6.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述成型材料密集地填充所述定子组件与所述框架之间的空间以保证最大导热率。

7.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述金属框架在外表面上具有纵向和径向翼片。

8.根据权利要求1所述的部分封闭式感应电动机，其中，

所述金属框架由铸铁、或钢或铝形成。

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